光纤—催化—生物—吸附亲密耦合快速净化及转化4-FP废水

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有机氟化合物的高稳定性和生物活性使其应用场景极为广泛,同时,碳-氟键中的高键能也造成了有机氟化物难降解性。以氟酚为例,氟酚是重要的化工原料,被广泛地应用于精细化工如制药、染料、液晶等的合成,在生产及使用过程中不可避免地会出现泄漏和残留,从而对环境造成污染,破坏生态系统。同时,水中残留的氟离子(F-)被人体吸入,将对人体功能器官产生巨大损坏。本文针对现有氟酚有机废水治理技术及方法存在降解速度慢、F-去除率低及转化效率低的问题,以4-氟苯酚(4-FP)废水治理及转化为研究对象,构建一种用于4-FP废水净化及转化的新型光催化光纤及其光生化反应与离子吸附耦合反应器系统,主要研究内容如下:(1)高性能光催化光纤的制备及其降解4-FP废水的性能研究。为了实现4-FP的快速光催化降解及脱氟,制备了二氧化钛掺镧及碳氮聚合物(La/Ti O2-CN)光催化剂和La/Ti O2-CN涂覆光催化光纤,采用光谱仪和电化学工作站表征了光催化剂及光催化光纤的光电性能,并对光催化光纤降解4-FP的最佳环境温度和底物溶液初始p H值进行了筛选。实验结果表明:光催化剂对可见光的吸收谱达到500 nm、响应光电流达到0.35μA/cm~2,光催化光纤的透射光谱范围为500 nm;当环境温度为35℃、初始PH为7时,20 h内光催化光纤对4-FP废水(体积200 m L,浓度50 mg/L)的降解率为97.87%,脱氟率为79.89%,化学需氧量(COD)去除率为79.57%。(2)单独生物膜系统降解及转换4-FP的性能研究。实验研究了温度和p H对单独微藻生物膜降解4-FP性能的影响,研究表明:当环境温度为35℃、初始PH为8时,24 h内单独微藻生物膜系统对4-FP废水(体积200 m L,浓度50 mg/L)的降解率为86.30%,脱氟率为57.39%,COD去除率为61.61%。(3)光纤光催化-生物耦合降解及转化4-FP废水的性能研究。为了研究光生化耦合降解及转化4-FP废水的性能,搭建了光生化耦合反应器,并进行了光生化耦合降解实验研究。研究表明:在温度为35℃、p H=8时,18 h内耦合系统对初始浓度为50 mg/L的200 m L 4-FP废水实现完全降解,脱氟率为82.05%,COD去除率为83.87%。20个循环周期(24 h为一个周期添加4-FP)内,微藻生物膜干重、光合色素含量和油脂含量分别由初始值60.50 mg、17.56%和15.01%变为420.24mg、16.64%以及24.30%。(4)氟离子吸附剂对4-FP和氟离子的吸附性能研究。为了实现对液相中F-进行选择性吸附,从而提高4-FP降解性能,采用Zr O2纳米颗粒和活性炭制备了F-选择性吸附膜,实验研究了F-吸附膜对4-FP和F-的吸附性能,研究表明:当p H从6增加至9时,F-吸附膜对200 m L 0.44 m M 4-FP的吸附率从28.50%降低到27.80%,对200m L 0.44 m M氟离子(以Na F为F-来源)的吸附率维持在65.23%。(5)光催化光纤-微藻生物膜-氟离子吸附膜耦合降解与转化4-FP性能研究。为了实现对4-FP的快速降解、F-的去除及4-FP向微藻生物质的持续转化,搭建了光催化光纤-微藻生物膜-氟离子吸附膜亲密耦合系统,并进行了生化反应与F-吸附耦合降解4-FP实验研究。研究表明:当温度为35℃、p H=8时,14 h内4-FP的降解率达到97.86%,16 h实现对4-FP的完全降解。与光纤光催化-生物耦合系统相比,降解时间节省了2 h。系统运行20周期(24 h为一个周期)后,光合色素相对于初始值降低了3.58%,生物膜干重增长为初始值的6.26倍,油脂含量增长为初始值的1.64倍。因此,光催化光纤-微藻生物膜-氟离子吸附膜耦合系统能够有效实现对4-FP废水的快速持续降解和资源(微藻生物质)转化。
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